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Eine scheinbar "einfache" Aufgabe

October 8, 2018

 

 "Entwerfe ein 3D-gedrucktes Bauteil gemäß realitätsnaher Randbedingung" - Eine Aufgabe, die anfangs einfach wirkte und mir dennoch viele Herausforderungen, Möglichkeiten und auch Erfahrungen bescherte.

Abbildung 1: Titelbild

Die wichtigste Frage allerdings zuerst: Wieso erzähle genau ich euch meine Erfahrungen?

Ich, Konstantin Steinhübel 28, studiere Schiffbau und Meerestechnik im Master an der TU Hamburg. Neben meinem Studium bin ich Mitglied der deutschen Ruder-Nationalmannschaft in der Leichtgewichtsklasse. Seit November 2017 bin ich Teil der Heinkel Group und arbeite derzeit als Werkstudent im Bionic Studio. Da Additive Fertigung und 3D-Druck gewöhnlich nicht als Synonym für Schiffbau bekannt sind, die nächste gute Frage: Wieso grade 3D-Druck? Die einfache Antwort lautet: Neugier. Die Möglichkeit eine neue Ingenieurs-Disziplin kennenzulernen und dazu noch eine, die sich stark entwickelt ist spannend und wertvoll. Vielleicht kennt auch ihr das Gefühl, vor einer Aufgabe zu stehen, die bekannt erscheint, sich  dennoch als Herausforderung entpuppt. 

 

Nun aber zurück zu meiner "einfachen" Aufgabe -- Als Master-Student sieht man die Welt anders als zu Bachelor Zeiten. Damals war alles Technische neu und man sah sich selbst grundsätzlich als unwissend - Was in den meisten Fällen auch zutraf. Dies ändert sich mit dem Beginn des Masters. Inzwischen hatte man Erfahrungen gesammelt, Vorlesungen über wissenschaftlich kritische Themen gehört und schon das eine oder andere Praktikum in der "realen" Welt hinter sich. Kurz gesagt, man glaubt zu wissen wie der Hase läuft. Ein guter Zeitpunkt um sich selbst und seine Fähigkeiten auszutesten, in meinem Fall an der Aufgabe der "Bionic Studio Challenge", welche die Heinkel Group in Kooperation mit der HAW Hamburg ausschreibt. 

 

Abbildung 2-8: Aufgabenstellung

Die Aufgabe 

Entwerfe ein möglichst leichtes Bauteil, welches die folgende Randbedingungen erfüllt:

  • 3D druckbar aus Fit PA Kunststoff

  • passende Anschlussmöglichkeit an:
    - zwei vorgegebene Stiftlager (Abb.2)
    - einen vorgegebenen Last-Übertragung-Stift (Abb.3)
    - Ventile zum Flüssigkeitstransport an beiden Ende (Abb.4 + 5)

  • Einhalten des Design-Volumens (Abb.6- 8)

  • Maximalen Durchbiegung von 20 mm am Ort der Krafteinleitung bei Belastung mit einer Kraft von 20 N auf den Last-Übertragung-Stift

  • Minimale Detaildicke 1 mm  am gesamten Bauteil

  • Minimale Wandstärke 2 mm  an der Lagerung und Krafteinleitung

Während ich die Aufgabenstellung las, preschte mein Hirn schon los. Überlegte sich Formen oder versuchte Probleme zu antizipieren. Dabei galt es zuvor eine wichtige Entscheidung zu treffen - die Wahl des Entwurfswerkzeugs. Ich habe mich für Autodesk Fusion 360 entschieden, ein 3D-Konstruktionsprogramm optimiert für 3D-Druck mit einer kostenlosen Version für Studenten. 

 

Doch nun Kern der Sache: dem Bauteil. Nach einigen Recherchen über die Probleme und Möglichkeiten des 3D-Drucks, begann ich meine Suche nach Anregungen auf Asknature.com, einer Datenbank welche bionische Konzepte thematisch kategorisiert und erklärt. So eingestimmt, versuchte ich mich an einem ersten Entwurf und dies war der erste Moment, an dem ich mit meinem Uni-Wissen nicht weiter kam. 

Abbildung 9: Ausgangsform

 

Jede Aufgabenstellung, die ich bisher bearbeiten musste, zielte auf eine angestrebte Konfiguration, Geometrie oder Lösung ab. Diesmal allerdings gab es keine Musterlösung, keine Hinweise auf den gewünschten Denkweg, kein Richtig oder Falsch. Folglich blieb nur meine Kreativität und mein technisches Verständnis um das Optimum unter unendlich vielen Möglichkeiten zu finden. Mit viel Probieren und unter Anwendung der bionischen Konzepte, erstellte ich mehrere Grob-Entwürfe. Unter der Prämisse der Gewichtsminimierung durch optimale Ausnutzung des verarbeiten Materials wählte ich die Version aus Abb. 9 als Ausgangspunkt für weitere Überlegungen. 

 

Wie die Abbildungen 10 und 11 zeigen nutzt die gewählt Grundform die Abmessungen des Design-Space im Last-übertragenden Bereich voll aus. Im Bereich der Lagerung und Krafteinleitung wird das Material wiederum minimiert. Die Integration der geforderten Hydraulik-Leitung stellte mich vor die ersten Herausforderungen, da Basis-Skizzen für die Bauteilmodellierung in Fusion 360 nur im Zweidimensionalen möglich ist.

           Abbildung 10                                                                          Abbildung 11            

 

Nach einigen Versuchen sowie einem anderen Modellierungsansatz konnte ich auch diesen Stolperstein überwinden.  Zusätzlich entfernte ich ungenutzte Material-Bereiche, vermied scharfe Kanten und fügte zusätzliche Zugstreben ein um einen Lasttransfer zwischen den beiden Hauptträgern zu ermöglichen.

 

Das Endergebnis (siehe Abb. 12) konnte sich sehen lassen. Eine Gewicht von grade mal 19 g bei einer Bauteillänge von mehr als 23 cm. Zum Vergleich, das gesamte Design-Volumen bestehend aus Fit PA-Vollmaterial hätte ein Gewicht von 375 g. Die von mir gewählten Belastungs- und Spannungsberechnungen attestierten dem Entwurf ausreichende Festigkeit. Auch die Durchbiegung im geforderten Designfall lag errechnet unterhalb des Grenzwertes. Mit Spannung und auch ein bisschen Stolz erwartete ich die erste 3D-gedruckte Version. 

Abbildung 12: Erster Druck-Versuch

 

Nun folgte der zweite Moment, an dem mich mein scheinbar vorhandenes Wissen im Stich ließ. Das gedruckte Bauteil war offensichtlich nicht gelungen. Mir waren einige klassische Anfängerfehler unterlaufen.

 

Symptome:

  • Nicht Modellgetreu gedruckt

  • Keine ausreichende Stabilität durch auf-tretendes Knicken 

Diagnose:

  • Zu dünne Details an den Streben

  • Fehlende Analyse auf strukturelle Knickung

 

 

 

 

 

 

Abbildung 13: Version 1 gedruckt                                  

 

Doch wie konnte ich so offensichtliche Fehler machen?

 

Zum einen hatte ich mich so viel mit dem Computer-Modell beschäftigt, dass ich den Bezug zu den reale Dimension verloren hatte. Meine Gedanken kreisten um Kanten-Abrundungen mit einem Radius von 0.5 mm anstatt die Dicke der Komponenten zu hinterfragen. Darüber hinaus habe ich nicht beachtet, welche Effekte die gewählten Simulationen berücksichtigen und welche wiederum nicht. Und vor lauter Begeisterung darüber was alles möglich ist und wie gut die Ergebnisse sind, habe ich den einfachsten nicht-linearen Effekt, die Knickung, vergessen.  Und das obwohl in der Uni alle Nase lang vor Nicht-Linearität gewarnt wurde.

 

Eine positive Überraschung brachte mein misslungener Versuch aber dennoch mit sich. Beim enttäuschten Rumspielen mit dem Bauteil stellte ich fest, dass die problematische Knickung bei entgegengesetzter Belastung nicht auftrat. Ursprünglich durch die obere Ebene geführt, nimmt die Leitung die bei entgegengesetzter Belastung auftretenden Druckkräfte ohne Knickproblematik auf. Die ursprünglich untenliegende Seite wird in Folge dessen auf Zug belastet, eine Belastungsart, welche die dünnen Strukturen sehr gut ertragen. ​

 Mit dem gewonnenen Input habe ich mich wieder an den PC gesetzt um die entscheiden Verbesserungen vor-zunehmen.

 Als erstes wurde die geänderte Leitungsführung implementiert (siehe Abb. 14). Anschließend erhöhte ich die Materialdicke der beiden, lasttragenden Grenzschichten um die Knickanfälligkeit der Struktur zu senken. Darüber hinaus gewährleistet diese Änderung ein modelgetreues Druckergebnis.  

                                                                                    Abbildung 14: Geänderte Hydraulik-Führung

 

Nach diesen offensichtlichen Änderungen, entfernte ich nach bewährtem Muster überflüssige Materialbereiche und führte einige Test-Simulationen durch, welche diesmal den Knick-Effekt berücksichtigten. Diese zeigten eine deutlich verringerte Knick-Anfälligkeit. Die Durchbiegung und lokalen Spannungen überschritten allerdings die geforderten Grenzwert. Während die Hydraulik-Leitung in der neuen Version die unteren Schicht stabilisiert, fehlt diese Wirkung in der oberen Zug-Ebene.

 Ich musste mir folglich über ein neues Stütz- und Streben-Konzept Gedanken machen um die beiden tragenden Schichten miteinander zu verbinden. Hierzu habe ich eine zentrale Stützstrebe eingeführt, welche ein Durchbiegung der oberen Schicht verhindert und die Last somit auf beide Lagerpunkte verteilt. Zusätzlich habe ich vier der ursprünglichen Zugstreben reaktiviert. Basierend auf den Erfahrungen des ersten Druck-Versuches, habe ich allerdings diese Streben ebenfalls verdickt. Beide Veränderungen sind in Abbildung 15 zu sehen.

 

                   Abbildung 15: Streben-Konzept      

             

Ein paar Simulationsrunden ähnlich zu Abbildung 16 später war es dann endlich so weit. Alle Veränderungen waren implementiert, alle Test-Simulationen bestanden und der zweite Versuch wurde in den Druck gegeben. Mit einem Gewicht von 26 g und ohne mikroskopisch kleine Kantenabrundungen widersteht mein  finales Design die aufgebrachten Lasten und ist nur geringfügig schwerer. Die Durchbiegung ist mit errechneten 16 mm sogar kleiner als der erlaubte Maximalwert von 20 mm. Die enggültige Version des Modells ist in Abb. 17 zu sehen.

Abbildung 16 & 17: Modell Version 2

 

Wenn ich das gedruckte Endergebnis aus Abbildung 18 in der Hand halte, fallen mir all die Stunden ein, in denen ich (zum Teil auch umsonst) am PC saß und nach Möglichkeiten gesucht habe noch etwas zu optimieren. Ich wollte ein noch leichteres Bauteil haben, noch ein bisschen Material einsparen und habe dabei Teilweise das Wesentliche aus den Augen verloren.

 

Abbildung 18: Das gedruckte Endprodukt 

 

Dennoch habe ich aus dieser Aufgabe viel gelernt. Nicht nur wie wichtig es ist, das Problem aus mehreren Blickwinkel zu betrachten und sich immer zu fragen, was man vergessen haben könnte, sondern auch, das ich Spaß am Erschaffen und Entwickeln habe. Ich entwickelte den gleichen Ehrgeiz es noch besser zu machen, den ich bisher hauptsächlich aus dem Sport kannte. Aber auch profane Dinge nehme ich mit, wie das strukturierte Erstellen von Skizzen, die nicht nur das Gedachte auf Papier bringen, sondern auch nachträglich noch die Möglichkeit bieten, einfach Änderungen vorzunehmen.

 

Alles in allem kann man sagen, das ich viel FÜR meinen späteren Beruf gelernt habe, aber noch mehr ÜBER ihn.

 

 

Konstantin Steinhübel

Werkstudent ALM / 3D Printing

info@bionic-studio.com 

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